Kernmaterial für Leichtbau

Einleitung

Die Innovation ist ein Leichtbauelement mit einer lastaufnehmenden Raumgitterstruktur, welche auf dem Oktaederstumpf basiert.

Dieser Körper erfüllt als einziger folgende Bedingungen:

  • nach der Kugel, das optimale Verhältnis von Oberfläche zu Volumen
  • ist als Zelle in der Lage, den Raum lückenlos auszufüllen (Raumfüller)

Der Zusammenhang in der Bionik (Bionik = Biologie und Technik)

Schaumblasen einer Seifenlauge streben nach dem gleichen Prinzip. Die Natur ist in der Lage ein Kräftegleichgewicht zu bewahren, so dass sich Minimalflächen entsprechend dem Oktaederstumpf als häufig vorkommende Vier- und Sechsecke in der Seifenlauge erzeugen.

Von der Bionik zur Leichtbauplatte

Mit Hilfe der Bionik ist es gelungen zu erkennen, dass eine bestimmte Struktur auf einer Ebene halbe Oktaederstümpfe bildet. Durch Laminieren von mindestens zwei Ebenen wird eine Lage ganzer Oktaederstümpfe hergestellt. Alle viereckigen Flächen in der Draufsicht sind Füge- und Verbindungsflächen. Während der Fertigung der Platten werden die Flächenmitten ausgedünnt, so dass ein tragendes räumliches Stabwerk über den Kanten entsteht. Durch das Aufbringen einer unteren und oberen Deckschicht wird eine Leichtbauplatte hergestellt.

Ergebnis

Bei minimalem Materialaufwand wird Volumen über ein Stabwerk definiert.

Innovation

Leichtbau ist die Reduzierung des Gewichts durch Einsatz von leichten Werkstoffen. Die im Wechsel oder gleichzeitig auftretenden mechanischen Beanspruchungen werden vom Leichtbauwerkstoff aufgenommen. Die im Raum identisch geometrisch definierte Anordnung der Gitter eines Oktaederstumpfes ist die Innovation im Leichtbau. Zug-, Druck-, Biege-, Schub- und Torsionskräfte nimmt dieses Bauteil auf und kann trotz geringen Gewichtes durch seine Struktur den Belastungen standhalten. Beim Verbau der Leichtbauwerkstoffe mit einer Oktaederstumpf-Raumgitterstruktur wird sich eine Geräuschminderung durch die Selbstdämpfung des Werkstoffs einstellen.

Kundennutzen

Mit dem Einsatz von Oktaederstumpf-Raumgitterstrukturen entsteht ein neuer Werkstoff.

Äußere Krafteinwirkungen auf solche Bauteile werden ohne Spannungsspitzen in den Raum weitergeleitet (Stabwerk aus Zug- und Druckstäben). Sie erlauben eine höhere SOLL-Belastung, weil Festigkeit und Steifigkeit als Ergebnis der Gitteranordnung gesteigert werden. Der Leichtbau ist die Schlüsseltechnologie zur Vermeidung von Massen- und Trägheitskräften in Anlagen, Maschinen, Handlingtechniken, Geräten und Fahrzeugen zu Wasser, zu Land und in der Luft. Optimale Leichbaustrukturen kennzeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus. Bei minimalem Materialeinsatz wird eine optimale Funktionsintegration und Wirtschaftlichkeit erreicht.

Produktnutzen

Im Vergleich zu einer Kugel gibt es keine Raumbereiche, die nicht durch den Oktaederstumpf definiert werden. Das ist der entscheidende Vorteil bezüglich Materialeinsatz zur vollständigen Raumausnutzung. Durch entsprechende Fertigungsverfahren lassen sich Kunststoffe, Metalle, Papier und nachwachsende Rohstoffe zu reproduzierbaren Bauteilen (z.B. Platten) mit beständigen Eigenschaften verarbeiten und herstellen. Es ist möglich eine integrale Systembauweise zu erreichen, weil aus der Kombination von Grundelementen (verschiedene Höhen der Platten, Deckschichten) eine Vielzahl unterschiedlicher Einheiten verwendet werden kann. Somit kann das Bauteil kostengünstig auch als Sonderbestellung gefertigt werden.

Neue und kostenintensive Technologien sind für die Herstellung nicht notwendig. Die Kombination bekannter Verfahren ist ausreichend um eine Oktaederstumpf-Kernstruktur zu einem Leichtbauelement konstruieren. Als Beispiel ist der Einsatz von faserverstärkten Polyamiden zu nennen. Bestehende ebene Platten können durch Warmumformung in entsprechenden Werkzeugen zu halben Oktaederstumpfplatten gefertigt werden. Zwei gleiche Platten sind im Anschluss miteinander über die Quadratflächen zu verbinden. Das Aufbringen der oberen und unteren Deckschichten schließt den Prozess ab.

In der Massenfertigung (z.B. konstruktive Versteifungselemente im Automobilbau) werden die notwendigen Prozessabschnitte entsprechend definiert. Verfahren wie z.B. Kalandrieren, Spritzgießen, Prägen oder Spritzprägen sind geeignet, um diesen Leichtbauwerkstoff mit einer tragenden Raumgitterstruktur zu fertigen. Die Vorteile in bekannte Verfahren einzusetzen, ermöglicht es, schneller einen Prozess zu erreichen, der Produkte mit reproduzierbarer Qualität fertigen lässt.

Dadurch, dass die Flächenmitten ausgedünnt werden, bleiben die Kanten als tragendes Stabwerk erhalten. Im Lastfall nehmen die Kanten Spannungen auf, verteilen diese und leiten sie weiter.

Dieser Effekt ist der entscheidende Vorteil, da sich in einem Bauteil mit einer Oktaederstumpf-Raumgitterstruktur keine Anisotropie ergibt. Der Kraftfluss findet keine definierte Längs- und/oder Querrichtung. Es wird eine isotrope Kraftverteilung im Bauteil erreicht, die Spannungsspitzen und mögliche Schwachstellen deutlich reduziert. Druckfestigkeit, Steifigkeit, Torsion, Widerstand gegen Stoß- und Berührungslasten sowie Schubfestigkeit in Längs- und Querrichtung werden um einen entscheidenden Wert verbessert. Der Leichtbauwerkstoff mit einer Oktaederstumpf-Raumgitterstruktur leitet die Kraftübertragung stetig weiter, welche sich an jedem Knotenpunkt im Stabwerk neu aufteilt und damit Spannungsspitzen vermeidet.

Produktfamilie

Durch eine luftige 3D-Stabstruktur können z.B. Standardprofile wie T-Träger und Rund- / Rechteckprofile aus Vollmaterial ersetzt werden.

Gewölbte Bauteile entstehen durch drapieren von vorgefertigten Standardplatten. Diese Halbprodukte finden Anwendung in nahezu allen Industriezweigen.

 
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